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作者：田中裕輔 株式會(huì)社村田制作所化學(xué)設(shè)備商品統(tǒng)括部 高機(jī)能功率設(shè)備商品部企劃推進(jìn)科
1.要旨
在我們身邊目前還有尚未完全使用電子技術(shù)的產(chǎn)品以及即使使用了電子技術(shù)但還不具備信息處理能力的產(chǎn)品，它們正在不斷智能化，性能也逐年提升。比如，鐘表、活動(dòng)量計(jì)、信用卡、粘貼式醫(yī)療設(shè)備等小型產(chǎn)品逐漸智能化。以活動(dòng)量計(jì)為例，之前是將步數(shù)等簡(jiǎn)單信息記錄于主機(jī)內(nèi)，而現(xiàn)在安裝了3D運(yùn)動(dòng)傳感器，通過正確把握運(yùn)動(dòng)信息準(zhǔn)確計(jì)算出消耗卡路里，并能發(fā)送到iPhone和Android終端。最新的活動(dòng)量計(jì)還具備分析睡眠狀況、心跳、脈搏、呼吸等多功能模式。而隨著這些智能化終端的多功能化、高機(jī)能化，在工作峰值時(shí)的消耗電力也會(huì)增加。另一方面，這些智能終端上對(duì)安裝的電池尺寸也有限制，提高電池峰值輸出電力就更加困難。今后這類設(shè)備中消耗電力和供電之間的不平衡仍會(huì)持續(xù)，我們預(yù)想比起提升電池的容量，可以輔助峰值負(fù)載輸出并能節(jié)省貼裝空間的電容需求將會(huì)越來越高。
株式會(huì)社村田制作所（以下稱村田）為滿足此類客戶的需求，特將業(yè)界超薄的T寸0.4mmMax的超級(jí)電容DMH系列商品化（圖1）。改良以往超級(jí)電容生產(chǎn)過程中培養(yǎng)的電極印刷技術(shù)和研發(fā)新的疊層工藝，研發(fā)出能夠最大限度確保高度方向自由度的產(chǎn)品。該系列的第1批產(chǎn)品20×20×0.4mm /35mF的超級(jí)電容將于2017年2月開始量產(chǎn)（參照表1）。本片文章將介紹DMH系列的適用事例和效果。
表１ DMHA14R5V353M4ATA0的規(guī)格
2. 代表應(yīng)用
T寸0.4mmMax的DMH系列充分利用它的形狀，安裝在對(duì)高度具有嚴(yán)格限制的應(yīng)用和封裝面積不足的設(shè)備的狹小空間處時(shí)，能夠最大程度地發(fā)揮它的作用。應(yīng)用事例和DMH系列適用用途如下所示（圖2）。
① 可穿戴設(shè)備
由于受設(shè)備大小和重量制約，使用紐扣電池和小型鋰離子電池（以下稱LIB），通過DMH系列峰值輔助可實(shí)現(xiàn)多功能化和高機(jī)能化。
【用途事例】
智能手表、活動(dòng)量計(jì)、智能玻璃、胰島素泵
② 卡型電子設(shè)備
在適合ISO7810（0.76mm厚度）的卡型終端上，可作為能源緩沖和薄型電池的峰值輔助使用。
【使用事例】
IC卡片、通用信用卡、指紋認(rèn)證卡、安全卡
③ 具有電子紙顯示器的設(shè)備
通過和電池一起使用，可在電子紙更換時(shí)瞬間提供必要的電力，從而提高更換速度。此外，可使在低溫更換時(shí)更快、更穩(wěn)定。
【用途事例】
電子紙顯示器、電子貨架標(biāo)簽、電子標(biāo)簽
④ 粘貼式醫(yī)療設(shè)備
能夠保證產(chǎn)品的薄型、系統(tǒng)的峰值電力輸出以及均衡負(fù)載，延長(zhǎng)電池交換間隔。特別是對(duì)防止使用過程中斷電的設(shè)備非常有效。
【用途事例】
便攜式心電圖儀、粘貼式體溫計(jì)、粘貼式創(chuàng)傷系統(tǒng)等
圖2 DMH系列的適用應(yīng)用事例
3. DMH系列的優(yōu)勢(shì)和設(shè)備適用事例
① 作為能源緩沖（蓄電元件）使用時(shí)
靜電容量35mF/額定電壓4.5V的DMH系列在20×20×0.4mm的體積內(nèi)能夠蓄電350mJ的能源。與薄型電容器相比，可儲(chǔ)存的能源是0.4mmMax的多層陶瓷電容器（以下稱MLCC）的數(shù)千倍。與薄型LIB相比，雖然能源密度比不上那些電池，但是可輸出的峰值電力很大。此外，不需要特別的傳輸程序和循環(huán)，具有可自由使用斷電（一次電池）和充放電電路（二次電池）的優(yōu)勢(shì)。是適合想要不使用電池，安裝大量使用MLCC緩沖電路沒有空間時(shí)以及只能充分使用設(shè)備死角時(shí)的解決方案(圖3)。
圖3 薄型化DMH系列的優(yōu)勢(shì)
DMH系列的充電性能和放電性能如圖4所示。DMH系列如果在額定電壓下充電的話，10mA額定電流放電時(shí)間15秒，100mA額定電流放電時(shí)間1.5秒、1A額定電流放電時(shí)間130毫秒。充電是可逆的，可在相同時(shí)間內(nèi)充電。使用DMH系列，可設(shè)計(jì)在有限的空間內(nèi)安裝，無論低速率還是高速率都能靈活地充放電的緩沖電路。
② 作為峰值輔助元件使用時(shí)
接下來將介紹與電池等電源組合時(shí)的效果。與電池組合時(shí)，具有2個(gè)效果。下面介紹與紐扣電池組合時(shí)的適用事例。
一個(gè)作用是峰值輔助作用。通過提高峰值輸出電力，能夠測(cè)量工作負(fù)荷的數(shù)值和負(fù)荷的驅(qū)動(dòng)改善。介紹一個(gè)具體事例，就是可穿戴設(shè)備上經(jīng)常使用的給使用者觸覺感受的觸覺裝置（振動(dòng)設(shè)備）僅使用紐扣電池驅(qū)動(dòng)和使用紐扣電池、DMH系列共同驅(qū)動(dòng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。評(píng)估系統(tǒng)如圖5所示。紐扣電池使用的是市場(chǎng)購(gòu)入的CR203，作為擴(kuò)音器的電源使用。擴(kuò)音器的輸入是150Hz方波，擴(kuò)音器的輸出連接在觸覺裝置上。測(cè)量出接地電池電壓和擴(kuò)音器輸出電壓。結(jié)果如圖6所示。使用DMH系列時(shí)，電池電壓變動(dòng)受到抑制，擴(kuò)音器的輸出電壓倍增。從這個(gè)結(jié)果來看，觸覺裝置的振動(dòng)強(qiáng)化，使用者有更好的觸感。以上便是DMH系列的峰值輔助效果。
與電池組合的第二個(gè)值得期待的效果是通過將電力暫時(shí)儲(chǔ)存在DMH系列中的電力放電，來均衡電池負(fù)載。因?yàn)殡姵貨]有必要瞬間釋放大電流，因此能夠減少電池電壓的變動(dòng)。一般來說電氣設(shè)備系統(tǒng)設(shè)定了最低工作電壓，輸出電壓低于最低工作電壓時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)機(jī)。
如果電池電壓受到抑制，能讓離系統(tǒng)關(guān)機(jī)的時(shí)間增長(zhǎng)，電池壽命也可能增加。也有可能減少預(yù)想的電池更換頻率。CR2032和DMH系列的壽命延長(zhǎng)效果如圖7所示。負(fù)荷在周期1秒、75%1mA?25%40mA、9000次循環(huán)的條件下給電池脈沖負(fù)荷。為了使圖示更清晰，將減去40mA負(fù)荷時(shí)的電壓變動(dòng)以1000次循環(huán)每次的頻率表示。假設(shè)系統(tǒng)的最低工作電壓是1V，僅使用紐扣電池的話4500秒就能達(dá)到1V。和DMH系列一起使用的話，7000秒后能達(dá)到1V，達(dá)到1V的時(shí)間能夠延長(zhǎng)55%。此外，延長(zhǎng)電池的附加壽命的附加效果是提高了電池殘留量的檢測(cè)精度。檢測(cè)電池電壓，系統(tǒng)以此為基礎(chǔ)檢測(cè)電池的殘留量。還有望減少電池電壓變動(dòng)、提高電池殘留量檢測(cè)精度。以上是與電池組合使用的2點(diǎn)效果?！ ?br/>
圖7 使用DMH系列的CR2032的延長(zhǎng)效果
如上所示，如果使用薄型超級(jí)電容DMH系列的話，能夠給使用紐扣電池工作的設(shè)備提供高機(jī)能化和長(zhǎng)時(shí)間驅(qū)動(dòng)。
4．結(jié)語(yǔ)
如上所示是充分利用薄型超級(jí)電容DMH系列優(yōu)勢(shì)的用途和效果。今后將向設(shè)備的多功能化和高機(jī)能化邁進(jìn)，預(yù)計(jì)供給消耗電力間的失衡將會(huì)比現(xiàn)在更嚴(yán)重。村田致力于擴(kuò)充薄型超級(jí)電容產(chǎn)品以及更加低ESR化，更加努力地解決客戶的問題。